煤矸山下农田土壤重金属的空间分布及生态风险评价

郭李凯 任珊珊 毕斌 于亚军

摘要：煤矸石堆存过程中会通过雨水淋溶和扬尘等途径造成周边农田土壤的重金属污染，因此研究煤矸山下农田土壤重金属的空间分布特征并进行生态风险评价，对于指导矿区污染农田因地制宜、合理进行农业生产具有重要意义。以山西省霍州市曹村煤矿煤矸山下农田为研究对象，分析铅（Pb）、铜（Cu）、铬（Cr）、锌（Zn）4种重金属在水平方向（距煤矸山0～100 m范围）、垂直方向（0～100 cm土层）的空间分布特征；同时，运用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法对4种重金属元素进行生态风险评价。结果表明：煤矸山下农田中4种污染元素在垂向分布上表现为Cu、Cr在距煤矸山0～100 m范围内的0～100 cm各土层中的含量分别约比山西省土壤背景值高1.4、1.1倍；Pb在 0～20、20～40、80～100 cm土层的含量也超出背景值；Zn在0～100 cm土层的含量均未超出背景值。在水平方向上：Cu、Cr 在0～100 m范围内分别约比背景值高1.45、1.03倍；Pb在距煤矸山0～50 m处土壤中含量也超过背景值；Zn在0～100 m范围均未超过背景值。单因子生态风险评价表明，距煤矸山0 m处Cr污染最严重，属重度污染水平，距煤矸山20～100 m处的Cu污染最严重，属中度污染水平；Pb（0 m处除外）、Zn在整体上处于清洁水平。从综合污染指数来看，Pb、Cu、Cr、Zn 4种元素综合污染状况表现为距煤矸山愈远，污染程度愈轻的趋势，但是即使在距煤矸石 100 m 处仍基本属于轻度污染；垂直方向上表现出较深土层（40～100 cm）的污染程度高于表层（0～40 cm）土壤。

關键词：煤矸山；农田土壤；重金属污染；空间分布；生态风险

中图分类号：S151.9+3；X825 文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0467-03

煤炭开采和洗选过程中会排出大量煤矸石，除约有20%用作工业用途外，其余均以矸石山的形式堆存[1-3]。目前，我国累计堆存矸石约40亿t，形成煤矸山1 500多座，占地面积超过1.33万hm2，而且仍以约1亿t/年的速度递增[4-5]。煤矸石堆放不仅占用大量土地，而且堆放过程中大量重金属元素会通过雨水淋溶和扬尘进入土壤造成重金属污染[6]。它们大量地富集在土壤中，被作物吸收后通过食物链无限放大，再沿食物链最终进入人体，对人体造成严重伤害[7]。因此，查明煤矸山周边农田土壤重金属污染状况并开展生态风险评价将有助于矿区因地制宜、合理进行农业生产。本研究选取煤矸山下农田土壤中铅（Pb）、铜（Cu）、铬（Cr）、锌（Zn）4种重金属，分析其空间分布状况和污染程度，对于指导煤矿区污染农田农业生产具有一定指导意义。

山西省煤炭资源储量大、产量高，全省煤矿企业矸石累计堆存量为8.3亿t，已形成300多座煤矸山[8]，其中山西省霍州市霍煤集团堆积形成的矸石山就达10余座，以此为样区开展煤矸山周边农田土壤重金属污染的研究具有典型性。本研究以山西省霍州市曹村煤矿煤矸山脚下农田为研究对象，研究农田土壤重金属在水平空间（距煤矸山0～100 m范围）、垂直空间（0～100 cm土层）的分布状况，并采用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法对研究区内的土壤重金属污染进行评价，以期为农业生产实践活动提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于山西省霍州市霍煤集团曹村矿区，该矿区距霍州市约7 km，区内山高岭峻，沟壑纵横，属侵蚀型黄土丘陵地貌。该区为温带大陆性季风气候，年平均气温12.1 ℃，年均降水量353.3～688.9 mm，降水年内分布不匀，主要集中在7、8、9这3个月，且常以暴雨出现，春秋季节干燥且风较大，全年盛行偏南风、偏北风，春季以偏南风为主，其次是偏北风。夏、秋、东3个季节以偏北风为主，西南风次之。

[JP3]研究样地位于该矿南下庄矸石山（地理位置36°30′47.9″N，111°42′11.1″E），该矸石山从1959年开始使用，矸石堆存量约为200万t，占地约1.6 hm2，垂直高度约为50 cm，坡度约为40°，该样地矸石裸露，矸石中重金属Pb、Cu、Cr、Zn含量分别为30.40、74.06、180.52、146.33 mg/kg。样地植被处于自然恢复状态，植被稀疏，主要为沙棘、黄刺梅、荆条。研究所选农田位于该煤矸山下西北方向，土地平整，面积约为 2 000 m2，土壤类型为褐土，多年连续种植农作物，采样时种植的作物为玉米（Zea mays L.）。

1.2土样采集与分析

采样点分别为距离矸石山0、20、50、80、100 m处，按“S”形5点采样法进行采样，每个采样点用土钻采集100 cm土层（20 cm为1个深度单位，共分5层，距矸石山下0 m处因 60 cm 以下土层均为煤矸石而无法采土，因而仅取到60 cm）。每个采样点、每一土层均由5个子样混合组成，混合均匀后按四分法获取足够的样品装入塑料袋，标明采样信息后带回实验室，经自然风干后剔除植物的残根、石块等杂物，磨碎后过100目（孔径0.150 mm）尼龙筛，保存于塑料袋待测。

测定时称取约0.5 g风干土样，放入聚四氟乙烯坩埚中，分别加入10 mL硝酸、8 mL氢氟酸、1mL高氯酸（3种试剂均为优级纯），加盖，置于电热板上消解，得到样品消解液，用nov-AA400火焰-石墨炉原子吸收光谱仪测定其含量，重复3次，取平均值。

3结论

从重金属含量的空间分布来看，Pb、Cu、Cr、Zn 4种元素在垂直方向的规律：Cu、Cr在0～100 cm土层的含量均超出土壤背景值；Pb在部分层次距离（20～40、80～100 cm）含量较高，超出背景值比例较大；Zn在0～100 cm土层含量均未超过背景值。在水平方向上表现：Cu、Cr在距煤矸山0～100 m 含量较多，均超出了土壤背景值且超出比例较大；Pb在距煤矸山0、50 m处超出比例较大，其余各处含量较少，也未超出背景值；Zn在距煤矸山0～100 m范围内均未超出背景值。

从单项污染指数来看，Pb、Cu、Cr、Zn这4种元素中，Cr在0 m处0～20cm土层污染最重， 处于重度污染水平；Cu在

20、50、80、100 m 处污染较重，基本处于中度污染水平；Pb（0 m 除外）、Zn整体处于未累积状况，属于清洁水平。

从综合污染指数来看，Pb、Cu、Cr、Zn 4种元素综合污染状况表现为距煤矸山愈远污染程度愈轻的趋势；垂直方向上表现出深层（40～100 cm）土壤的污染程度高于表層（0～40 cm）土壤。

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